电催化乙炔加氢反应系统及利用该系统的电催化乙炔加氢反应方法技术方案

本申请公开了一种电催化乙炔加氢反应系统，包括乙炔气室和电化学装置，所述电化学装置的工作电极分隔所述乙炔气室和所述电化学装置，以形成所述乙炔气室和所述电化学装置共用的分隔壁，通入所述乙炔气室内的含乙炔的气体能够在所述工作电极进行乙炔电化学加氢反应，反应生成的乙炔加氢产物气体能够导出所述乙炔气室。本申请还公开了一种利用所述系统的电催化乙炔加氢反应方法。根据本发明专利技术，能够在低温下高活性、高选择性地将乙炔电催化转化为乙烯，能够为电催化乙炔加氢的大规模应用创造基本条件，并有望替代现有热催化乙炔加氢化工过程，促进聚乙烯工业生产的绿色可持续发展。

【技术实现步骤摘要】
电催化乙炔加氢反应系统及利用该系统的电催化乙炔加氢反应方法
本专利技术涉及催化加氢反应领域，具体涉及一种电催化乙炔加氢反应系统及利用该系统的电催化乙炔加氢反应。
技术介绍
乙烯(C2H4)的工业生产依赖于石脑油或饱和碳2-碳6烃的热解。然而，在热解衍生的乙烯产物物流中会残留0.5-2.0％(体积分数)的乙炔(C2H2)。该杂质会严重毒化后续用于聚乙烯合成的齐格勒-纳塔催化剂(A.Borodziński,G.C.Bond,Catal.Rev.48,91-144(2006))，导致生产成本升高、产品质量下降。因此，如何有效地从富含乙烯的气流中选择性地去除乙炔，使乙烯纯度达到聚合物生产级别，具有重要的现实意义。经过近百年的研究，相继发展出了溶剂吸收及催化加氢等技术路线。自1950年代以来，将C2H2选择性催化加氢为C2H4的方法已成为脱除乙炔的更有效方法(图1，路线1)(T.Kenzi,Bull.Chem.Soc.Japan23,180-184(1950))。商用钯基催化剂在200℃下，以氢气为质子源，可实现大于90％的C2H2转化率和85％的乙烯选择性(M.Armbrusteretal.,Nat.Mater.11,690-693(2012))，C2H2在钯基催化剂上的氢化反应机理也得到了系统地研究。现有很多研究期望开发良好的用于乙炔选择性加氢的催化剂，例如CN102247876A，其研究了一种用于乙炔选择性加氢的磷化钼催化剂，使得在常压以及200-240℃下能够以高的乙炔转化率实现乙炔的选择性催化加氢。近年来，更多注意力转移到了如何进一步降低催化反应的温度(Q.Fengetal.,J.Am.Chem.Soc.139,7294-7301(2017)；S.Zhouetal.,Adv.Mater.31,e1900509(2019)；Q.Fengetal.,Adv.Mater.31,e1901024(2019))。CN108147938公开了一种常压下乙炔选择性氢化到乙烯的方法，其采用特定的PdxM/SiO2型催化剂，可以实现在50-300℃下乙炔的选择性加氢。然而，在更低温度(例如室温)条件下实现C2H2的高转化率、高选择性氢化制C2H4，仍面临巨大挑战。此外，目前开发的实验室和工业规模的C2H2加氢反应系统都需要在反应过程中引入过量的氢气以促进C2H2的加氢转化。但是这种方法会不可避免地导致C2H4过度加氢生成乙烷(C2H6)，造成大量C2H4原料的浪费，增加了经济成本(A.Sárkány,A.Horváth,A.Beck,Appl.Catal.A-Gen.229,117-125(2002))。以50万吨/年乙烯生产线为例：根据乙烯市场价格7000元/吨，年产值约35亿；热催化加氢通常会造成2-3％的乙烯损耗(过度加氢至乙烷)，因此带来约1亿元损失。若采用最先进的进口催化剂(CLARIANT260)可将损耗降至接近0％，但催化剂成本高。因此，无论从能量和原子利用的角度来看，都有必要创新乙炔加氢反应系统及方法，以在低温下实现乙炔向乙烯的高效转化。电催化策略能够以水分子为氢源，在无需氢气输入的低温条件下将乙炔加氢还原为乙烯(图1，路线2)。理论上，每消除1吨乙烯原料气中的乙炔杂质，需工业用电费用约7元，仅占乙烯市场价格的千分之一，说明该策略具备大规模应用的成本优势。然而，由于现有电催化系统的局限性，如富乙烯气氛中乙炔气体的传质问题、反应分子/离子在催化界面的接触问题、电催化全反应系统的搭建问题等等，现有电催化C2H2加氢(EAR)反应系统的转化率和产物选择性与热催化工艺相比仍有巨大差距。迄今为止，基于路线2的电催化乙炔加氢反应系统及方法还存在诸多研究空白。基于以上现有技术，本专利技术人期望构建一种基于气体扩散电极的EAR系统，以在富含乙烯的物流中将乙炔有效转化为乙烯。
技术实现思路
为提升乙炔反应分子在催化剂表面的浓度与扩散速率，实现低温条件下乙炔到乙烯的高活性、高选择性电催化转化，本专利技术提供了一种电催化乙炔加氢反应系统及电催化乙炔加氢反应的方法。本专利技术的一个目的在于提供一种电催化乙炔加氢反应系统。根据本专利技术的一个方面，提供一种电催化乙炔加氢反应系统，所述系统包括乙炔气室和电化学装置，所述电化学装置的工作电极用于分隔所述乙炔气室和所述电化学装置，以形成所述乙炔气室和所述电化学装置共用的分隔壁，通入所述乙炔气室内的含乙炔的气体能够在所述工作电极进行乙炔电化学加氢反应，反应生成的乙炔加氢产物气体能够导出所述乙炔气室。根据本专利技术，所述电化学装置的工作电极为气体扩散电极，所述电化学装置还包括电解室、电源以及设于所述电解室内以将所述电解室分隔成阴极电解室和阳极电解室的离子交换膜，所述阴极电解室与所述乙炔气室邻接并由所述气体扩散电极分隔；所述阳极电解室设有对电极，所述气体扩散电极连接所述电源的负极，所述对电极连接所述电源的正极。根据本专利技术，所述阴极电解室的第一侧壁上具有与所述阴极电解室内连通的第一开口，所述阳极电解室的第二侧壁上具有与所述阳极电解室内连通的第二开口；所述阴极电解室的所述第一侧壁与所述阳极电解室的所述第二侧壁贴合，且所述第一开口与所述第二开口密封对接，并将所述离子交换膜夹持于所述第一开口和所述第二开口处。根据本专利技术，所述乙炔气室的气室壁上设有第三开口，所述阴极电解室的与所述第一侧壁相对的第三侧壁上设有第四开口，所述气室壁与所述第三侧壁贴合，且所述第三开口与所述第四开口密封对接，并将所述气体扩散电极夹持于所述第三开口和所述第四开口处，以分隔所述乙炔气室和所述阴极电解室。根据本专利技术，所述乙炔气室的厚度可为0.5-2.0mm。根据本专利技术，所述电解室内容置有电解质；例如，所述阴极电解室内容置有碱性电解液；和/或所述阳极电解室内容置有碱性电解液。根据本专利技术，所述电化学装置的工作电极为气体扩散电极，所述电化学装置还包括电解室、对电极、阳极腔室以及电源，所述电解室与所述乙炔气室邻接并由所述气体扩散电极分隔；所述电解室与所述阳极腔室邻接并由所述对电极分隔；所述气体扩散电极连接所述电源的负极，所述对电极连接所述电源的正极。根据本专利技术，所述电解室的第一侧壁上具有与所述电解室内连通的第一开口，所述阳极腔室的第二侧壁上具有与所述阳极腔室内连通的第二开口；所述电解室的所述第一侧壁与所述阳极腔室的所述第二侧壁贴合，且所述第一开口与所述第二开口密封对接，并将所述对电极夹持于所述第一开口和所述第二开口处。根据本专利技术，所述乙炔气室的气室壁上设有第三开口，所述电解室的与所述第一侧壁相对的第三侧壁上设有第四开口，所述气室壁与所述第三侧壁贴合，且所述第三开口与所述第四开口密封对接，并将所述气体扩散电极夹持于所述第三开口和所述第四开口处，以分隔所述乙炔气室和所述电解室。根据本专利技术，所述阳极腔室内容置有阳极反应物和阳极产物，例如所述阳极腔室内容置有水溶液、氧气产物等。根据本专利技术，所述电化学装置还包括参比电极，所述参比电极设于所述阴极电解室。根据本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电催化乙炔加氢反应系统，所述系统包括乙炔气室和电化学装置，所述电化学装置的工作电极分隔所述乙炔气室和所述电化学装置，以形成所述乙炔气室和所述电化学装置共用的分隔壁，通入所述乙炔气室内的含乙炔的气体能够在所述工作电极进行乙炔电化学加氢反应，反应生成的乙炔加氢产物气体能够导出所述乙炔气室。/n

【技术特征摘要】
1.一种电催化乙炔加氢反应系统，所述系统包括乙炔气室和电化学装置，所述电化学装置的工作电极分隔所述乙炔气室和所述电化学装置，以形成所述乙炔气室和所述电化学装置共用的分隔壁，通入所述乙炔气室内的含乙炔的气体能够在所述工作电极进行乙炔电化学加氢反应，反应生成的乙炔加氢产物气体能够导出所述乙炔气室。


2.根据权利要求1所述的电催化乙炔加氢反应系统，其中，所述电化学装置的工作电极为气体扩散电极，所述电化学装置还包括电解室、电源以及设于所述电解室内以将所述电解室分隔成阴极电解室和阳极电解室的离子交换膜，所述阴极电解室与所述乙炔气室邻接并由所述气体扩散电极分隔；所述阳极电解室设有对电极，所述气体扩散电极连接所述电源的负极，所述对电极连接所述电源的正极。


3.根据权利要求2所述的电催化乙炔加氢反应系统，其中，所述阴极电解室的第一侧壁上具有与所述阴极电解室内连通的第一开口，所述阳极电解室的第二侧壁上具有与所述阳极电解室内连通的第二开口；所述阴极电解室的所述第一侧壁与所述阳极电解室的所述第二侧壁贴合，且所述第一开口与所述第二开口密封对接，并将所述离子交换膜夹持于所述第一开口和所述第二开口处。


4.根据权利要求2或3所述的电催化乙炔加氢反应系统，其中，所述乙炔气室的气室壁上设有第三开口，所述阴极电解室的与所述第一侧壁相对的第三侧壁上设有第四开口，所述气室壁与所述第三侧壁贴合，且所述第三开口与所述第四开口密封对接，并将所述气体扩散电极夹持于所述第三开口和所述第四开口处，以分隔所述乙炔气室和所述阴极电解室，优选地，所述乙炔气室的厚度为0.5-2.0mm。


5.根据权利要求1所述的电催化乙炔加氢反应系统，其中，所述电化学装置的工作电极为气体扩散电极，所述电化学装置还包括电解室、对电极、阳极腔室以及电源，所述电解室与所述乙炔气室邻接并由所述气体扩散电极分隔；所述电解室与所述阳极腔室邻接并由所述对电极分隔；所述气体扩散电极连接所述电源的负极，所述对电极连接所述电源的正极。


6.根据权利要求5所述的电催化乙炔加氢反应系统，其中，所述电解室的第一侧壁上具有与所述电解室内连通的第一开口，所述阳极腔室的第二侧壁上具有与所述阳极腔室内连通的第二开口；所述电解室的所述第一侧壁与所述阳极腔室的所述第二侧壁贴合，且所述第一开口与所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：张铁锐，施润，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11